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Production d'hydrogène

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La production d'hydrogène, ou plus exactement de dihydrogène, est en grande majorité réalisée par extraction chimique depuis des combustibles fossiles, principalement du méthane, du charbon et de coupes pétrolières. La production de dihydrogène par cette voie présente l'avantage d'un coût compétitif, mais l'inconvénient d'être à l'origine d'émissions de CO2 non biogénique, qui dépassent généralement dix kilogrammes de CO2 par kilogramme d'hydrogène produit.

L'électrolyse de l'eau permet de produire un hydrogène dont l'empreinte carbone est due uniquement au mode de production de l'électricité nécessaire (en tenant compte du rendement plus faible du procédé) et au cycle de fabrication et de recyclage des électrolyseurs.

Le dihydrogène est un vecteur énergétique majeur dans beaucoup de bactéries : il y est un sous-produit de la fermentation et de la fixation de l'azote. De façon artificielle, il peut être produit par réduction chimique ou par la chaleur (thermolyse) ; ces autres méthodes sont moins propices à la production industrielle, voire encore expérimentales. La découverte et le développement de méthodes moins coûteuses de production d'hydrogène en masse permettraient une « économie hydrogène ».

Histoire

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Article détaillé : Histoire de la production d'hydrogène.

Au XVIe siècle, l'alchimiste Paracelse, entrevoit le gaz[Comment ?]. Un siècle plus tard, Robert Boyle parvient à recueillir du dihydrogène, mais ne le distingue pas de l’air ordinaire.[réf. nécessaire]

En 1603, Théodore de Mayerne l’enflamme et John Mayow, vers la fin du XVIIe siècle, le distingue de l’air. Enfin, au commencement du XVIIIe siècle, Nicolas Lémery en constate aussi l’inflammabilité[1].

Ce n’est qu’en 1766 que le gaz est étudié par Henry Cavendish. En 1783, Antoine Lavoisier découvre que l’« air inflammable » de Cavendish, qu’il baptise hydrogène (du grec « formeur d’eau »), réagit avec l’oxygène pour former de l’eau.

La découverte de l’« air inflammable », comme on l’appelait alors, est donc ancienne. Théodore de Mayerne et Paracelse l’obtenaient par réaction entre l’« huile de vitriol » (de l’acide sulfurique) diluée et versée sur du fer ou du zinc[2][réf. incomplète]. En 1870, le gaz produit pour les besoins des ballons à gaz n’utilise pas d’autre moyen[3]. Au XXIe siècle, le gros du dihydrogène requis est produit à partir du méthane présent dans le gaz naturel, par catalyse hétérogène[4].

Procédés

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Article connexe : Bois énergie.

Production mondiale de dihydrogène (2021)[5]

La production mondiale de dihydrogène représente 94 millions de tonnes en 2021, dont 62 % provient du vaporeformage du méthane, 18 % de l'oxydation partielle du pétrole, 19 % de la gazéification du charbon, 0,7 % d'un de ces trois procédés avec captage et valorisation du CO2 et 0,04 % de l'électrolyse de l'eau[5]. D'autres procédés sont largement minoritaires ou à l'état d'expérimentations, qui peuvent s'avérer prometteurs selon l'évolution relative des coûts des matières premières. Les procédés principaux consistent essentiellement à dissocier des hydrocarbures par une température élevée et l'adjonction de vapeur d'eau ou de dioxygène, éventuellement en présence d'un catalyseur ; les réactions ainsi entretenues donnent H2 et CO2, l'hydrogène provenant à la fois de l'eau et de l'hydrocarbure. Les émissions de CO2 de ces procédés atteignent, en 2021, 900 millions de tonnes par an, soit environ 2 % des émissions mondiales[6]

Le dihydrogène ainsi produit est dans sa grande majorité consommé localement[7]. Il entre en jeu dans la synthèse d'ammoniac comme engrais par le procédé Haber-Bosch (44 % de la consommation en 2015) et pour la conversion du pétrole lourd en fractions plus légères, par hydrocraquage (46 %)[8].

Utilisation du dihydrogène produit (2015)[8] :

Classement par couleurs

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Les modes de production de l'hydrogène sont distingués par des noms de couleur[9],[10],[11],[12], variables selon les pays faute de consensus :

Devant cette absence de consensus, les députés européens pointent la nécessité d'un accord sur une terminologie uniforme afin de, notamment, distinguer clairement l'hydrogène renouvelable, l'hydrogène à faible teneur en carbone et l'hydrogène d'origine fossile[27].

Par vaporeformage d'hydrocarbures

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Illustration des intrants et des produits du vaporeformage du gaz naturel, un processus qui produit de l’hydrogène et du CO2, gaz à effet de serre qui peut être séquestré.
Schéma des intrants et des produits de la pyrolyse du méthane.

Le dihydrogène qualifié d'hydrogène gris[28] est produit par vaporeformage du gaz naturel ou, moins souvent, du GPL ou du naphta, selon leur prix et leur disponibilité[7]. Le rendement énergétique de conversion atteint 72-82 % (sur pouvoir calorifique inférieur) selon le procédé mis en œuvre[29]. Le vaporeformage du méthane fournit, en 2015, 49 % du dihydrogène produit dans le monde[8].

La méthode de conversion des hydrocarbures cause des rejets de gaz à effet de serre. Le vaporeformage du méthane rejette ainsi de 10 à 12 tonnes de CO2 par tonne d’hydrogène produite[23]. Étant donné que la production est concentrée dans un seul établissement, il est possible de séparer les gaz et de les séquestrer (l'hydrogène est alors qualifié d'hydrogène bleu[28]), par exemple pour les injecter dans une couche de pétrole ou de gaz naturel, mais les coûts de tels procédés et l'incertitude sur les risques de relargage du CO2 font qu'il ne sont que rarement mis en œuvre, dans les années 2010[réf. souhaitée]. Par exemple, un projet d'injection de dioxyde de carbone dans le gisement de gaz de Sleipner (en) a été lancé par la compagnie norvégienne StatoilHydro[30].

Réduction de la vapeur d'eau

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Articles détaillés : Vaporeformage et Reformage du méthane.

La première étape est la réaction de vaporeformage proprement dit[31].

À haute température (840 à 920 °C, obtenue par combustion d'un quart du méthane[32]) et à pression modérée (20-30 bar), de la vapeur d'eau (H2O) réagit avec le méthane (CH4) sur un catalyseur au nickel (Ni) pour obtenir un mélange de monoxyde de carbone (CO) et de dihydrogène (H2), mélange connu sous le nom de « gaz de synthèse »[31].

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Cette réaction endothermique absorbe 191,7 kJ/mol d'énergie.

La chaleur nécessaire au processus est généralement fournie par combustion d'une partie du méthane.

Conversion du monoxyde de carbone

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Article détaillé : Réaction du gaz à l'eau.
Centrale à cycle combiné à gazéification intégrée de charbon, à Tampa (États-Unis).

Du dihydrogène supplémentaire peut être récupéré par ajout d'eau, par le biais de la réduction de l'eau, dans la réaction du gaz à l'eau réalisée à environ 130 °C :

CO + H2O → CO2 + H2

Cette oxydation est exothermique, qui libère 40,4 kJ/mol pour entretenir la réaction en cours.

Essentiellement, l'atome d'oxygène (O) est extrait de l'eau (vapeur) ajoutée pour oxyder le CO en CO2.

Bilan

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Le bilan des deux réactions est alors une réaction endothermique :

CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

Le gaz de synthèse obtenu contient 16 à 25 % de CO2 en volume.

Par oxydation partielle

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L'oxydation partielle peut s'effectuer sur du gaz naturel, des fractions plus lourdes du pétrole, du charbon ou de la biomasse, les charges solides étant alors gazéifiées. Le rendement énergétique de conversion atteint typiquement 53-67 % (sur pouvoir calorifique inférieur) selon le procédé mis en œuvre[29]. Quelle que soit la charge, ce procédé implique alors un surcoût par rapport au vaporeformage du méthane[33]. Il est donc employé essentiellement dans quelques cas :

  • pour fournir des gaz de synthèse avec un ratio H2/O particulier utile à la pétrochimie ;
  • lorsque les hydrocarbures légers sont indisponibles ;
  • pour détruire des résidus d'hydrocarbures lourds peu valorisables.

Le principe du procédé est similaire à celui du vaporeformage du méthane pour former également du gaz de synthèse, à ceci près que l'oxydation de l'hydrocarbure choisi est effectuée par du dioxygène au lieu d'eau, que la réaction bilan est exothermique, et qu'on n'a (généralement) pas recours à un catalyseur. Au lieu de celui-ci, les conditions sont plus contraignantes, la température (900 à 1 500 °C) et la pression (20-60 bar étant plus élevées[34].

Par électrolyse de l'eau

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Article connexe : Électrolyse de l'eau.
Électrolyseur, vu de face, et panneau électrique en arrière-plan.
Schéma montrant les intrants et les produits de l'électrolyse de l'eau, pour produire de l'hydrogène potentiellement sans émission de gaz à effet de serre.

L'électrolyse de l'eau est un procédé électrolytique qui décompose l'eau en dioxygène et dihydrogène grâce à un courant électrique. Environ 0,04 % du dihydrogène gazeux produit dans le monde est produit par électrolyse[5].

Le rendement énergétique de l'électrolyse de l'eau atteint 40 %, sur pouvoir calorifique inférieur (PCI), ou 80 % sur pouvoir calorifique supérieur (PCS), c'est-à-dire si toute la chaleur latente de la vapeur produite est valorisée en sus de l'hydrogène[8],[35]. Ces valeurs se réfèrent seulement au rendement de la conversion de l'énergie électrique en énergie chimique de l'hydrogène ; l'énergie perdue lors de la génération de l'électricité et du traitement de l'eau n'est pas comptabilisée. L'eau pure nécessaire au procédé est en effet obtenue par osmose inverse, procédé coûteux en énergie et émetteur de CO2[23].

Une électrolyse alimentée en électricité décarbonée, d'origine renouvelable (hydroélectricité, éolien, solaire photovoltaïque) ou nucléaire, permettrait de réduire la pollution émise[Combien ?], par rapport au vaporeformage ou à l'électrolyse alimentée en électricité carbonée. Selon la source d'énergie utilisée, l'hydrogène est qualifié d'hydrogène vert dans le cas d'énergie renouvelable, ou d'hydrogène jaune dans le cas d'un apport par le nucléaire[28].

En 2023, en France, une plateforme offshore flottante baptisée « Sealhyfe » et équipée d'une éolienne est le premier prototype d'une production d’hydrogène en mer. Elle est équipée pour tester, sur une plateforme en mouvement et exposée à l'atmosphère saline, la production et la conversion d'électricité éolienne en hydrogène. Elle doit pour cela pomper, désaliniser et purifier l'eau de mer, puis la dissocier par électrolyse pour produire 400 kilogrammes de dihydrogène par jour[36].

Produire de l'hydrogène par voie chimique directe ou thermochimique reste plus efficace que par électrolyse[réf. nécessaire], mais la filière chimique est associée à des risques de pollution ou de génération de sous-produits toxiques lors de l'extraction de l'hydrogène.

Des procédés alternatifs électrolytiques, encore émergents ou marginaux, sont présentés ci-dessous.

Fractionnement photoélectrochimique de l'eau

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Utiliser l'électricité produite par des systèmes photovoltaïques est la façon la plus « propre » de produire de l'hydrogène vert. L'eau est séparée en dihydrogène et dioxygène par électrolyse dans une cellule photoélectrochimique (PEC), éventuellement en présence d'un catalyseur, un procédé également nommé « photosynthèse artificielle ». Les recherches menées, en lien avec l'industrie photovoltaïque, concernent l'élaboration de cellules multijonctions plus efficaces et à durée de vie plus longue, ainsi que de « photoréacteurs ».

Article détaillé : Cellule photoélectrochimique.

En 2019, le département de l'Énergie des États-Unis a lancé, dans le cadre de son programme de développement de réacteurs nucléaires avancés (Nuclear Energy’s Advanced Reactor Development Project), quatre projets de démonstration de production d'hydrogène par des centrales nucléaires : un en (Exelon) et trois en septembre : FirstEnergy Solutions (FES) dans sa centrale nucléaire de Davis-Besse dans l'Ohio, Xcel Energy dans l'une de ses deux centrales du Minnesota et Arizona Public Service (APS) dans sa centrale nucléaire de Palo Verde, avec subventions et appui de plusieurs laboratoires de recherche publics. Ils s'agit notamment d'absorber la variabilité de la production par les énergies renouvelables[37].

Électrolyse à haute température

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Article détaillé : Électrolyse à haute température.

Quand l'énergie est disponible sous forme de très haute température (centrale nucléaire ou moindrement concentration solaire thermique), la meilleure voie de production du dihydrogène pourrait être l'électrolyse à haute température (HTE). Contrairement à l'électrolyse à basse température, la HTE convertit davantage de chaleur initiale en énergie chimique (le dihydrogène), ce qui permet d'augmenter l'efficacité de conversion d'environ 50 %[réf. nécessaire]. L'électrolyse à haute température est ainsi théoriquement plus efficace que le procédé à température ambiante (jusqu'à 92 % sur pouvoir calorifique supérieur (PCS)[38]), puisqu'une partie de l'énergie nécessaire à la réaction est apportée via la chaleur, moins chère à obtenir que l'électricité, et que les réactions d'électrolyse ont un meilleur rendement à haute température.

Le Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Liten) du CEA, à Grenoble (Isère), développe l'électrolyse à haute température dont il estime le rendement supérieur de 15 points à celui des technologies concurrentes, car « sous forme de vapeur, casser la molécule d'eau nécessite moins d'énergie ». Il a créé pour cela en 2021 la coentreprise Genvia avec Schlumberger, Vicat et la région Occitanie[39].

L'HTE a été démontrée en laboratoire, mais pas encore à échelle industrielle. Des prototypes de réacteurs nucléaires dits « de quatrième génération » fonctionnent de 850 à 1 000 °C, température considérablement plus élevée que celle des réacteurs nucléaires actuels[réf. nécessaire]. General Atomics prédit que le dihydrogène produit dans un réacteur nucléaire à très haute température coûterait 1,53 $/kg[réf. nécessaire]. En 2003, le vaporeformage produisait du dihydrogène à 1,40 $/kg. En 2005, avec l'envolée du prix du pétrole, le prix du dihydrogène était de 2,70 $/kg. Par conséquent, pour les seuls États-Unis, une économie de dizaines de milliards de dollars par an est possible sur le dihydrogène produit par le nucléaire.

Une telle production centralisée viserait un approvisionnement en hydrogène compétitif face au procédé de vaporeformage.

Production biologique

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Par fermentation

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La production de dihydrogène par fermentation est la conversion de substrat organique en « biohydrogène » par divers groupes de bactéries utilisant plusieurs systèmes d'enzyme, impliquant trois étapes semblables à la digestion anaérobie. On distingue et oppose :

Un prototype de bioréacteur à hydrogène utilisant des déchets comme matière première est opérationnel à l'usine de jus de raisin Welch, dans le nord-est de la Pennsylvanie[réf. nécessaire].

Photoproduction

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Article détaillé : Production biologique d'hydrogène par des algues.
Production d'hydrogène par des algues.

Dans certains organismes comme les algues ou les cyanobactéries, et dans certaines conditions de croissance, une partie des électrons issus de la production photosynthétique d'oxygène peut être utilisée pour la production d'hydrogène. Il ne s'agit pas d'un métabolisme naturel, et il n'est que transitoire parce que les enzymes hydrogénases qui catalysent la production de dihydrogène sont inhibées par l'oxygène. Ce phénomène a été expliqué dans les années 1990 et fait depuis l'objet de développements[41], ce qui ouvrirait la voie à l'exploitation.

Par la nitrogénase

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Le dihydrogène est un sous-produit de la réaction de réduction bactérienne de l'azote en ammonium catalysée par la nitrogénase[42].

Production chimique

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La production chimique de dihydrogène exploite une réaction de corrosion en solution aqueuse.

Des différents métaux envisagés, l'aluminium et ses alliages sont parmi les plus appropriés pour le développement à venir[43]. L'aluminium peut être stocké et transporté d'une manière simple, plus sûre et moins chère que le dihydrogène. Il est stable dans les conditions habituelles et beaucoup moins cher que le borohydrure de sodium (NaBH4) (3 $/kg)[44].

Les réactions de l'aluminium avec les solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium sont les suivantes[45] :

2Al + 6H2O + 2NaOH → 2NaAl(OH)4 + 3H2 (1) ;
NaAl(OH)4 → NaOH + Al(OH)3 (2) ;
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2 (3).

Initialement, la réaction de la génération du dihydrogène (1) consomme de l'hydroxyde de sodium, mais lorsque la concentration d'aluminate de sodium est supérieure à la limite de saturation, l'aluminate subit une réaction de décomposition (2) qui produit un précipité cristallin, de l'hydroxyde d'aluminium, avec la régénération de l'alcali. La réaction (2) a été étudiée en profondeur au sujet de la pile à aluminium. La réaction totale (1 et 2) de l'aluminium dans une solution aqueuse, qui génère du dihydrogène, est décrite par la réaction (3). Il a été démontré que ce processus est en mesure de produire du dihydrogène à partir de l'aluminium avec régénération des ions hydroxyde[46]. Un obstacle majeur à la production de dihydrogène par cette voie vient du fait que la surface de l'aluminium peut être facilement passivée[47], mais la passivation peut être minimisée en optimisant plusieurs paramètres expérimentaux tels que la température, la concentration de l'alcali, la forme de la matière première (l'aluminium) et la composition de la solution.

Les systèmes de production de dihydrogène reposant sur la corrosion de l'aluminium n'ont pas besoin d'un apport de chaleur externe, puisque la corrosion de l'aluminium est une réaction exothermique. Celle-ci peut être obtenue dans des états de température et de pression douces, offrant une source de dihydrogène stable et compacte. Cette réduction chimique est particulièrement adaptée pour les applications à distance, mobiles, ou marines. Un kilogramme d'aluminium produit environ 4 kWh d'énergie sous forme de dihydrogène[48] et, pour un objectif de génération de dihydrogène de 100 % d'efficacité, il est possible de parvenir à une capacité gravimétrique d'hydrogène de 11,2 %m H2, qui est une valeur significative à l'accomplissement des objectifs de recherche du département de l'Énergie des États-Unis[49]. Cette capacité gravimétrique d'hydrogène peut être augmentée en utilisant une combinaison d'aluminium et de tétrahydruroborate de sodium (NaBH4)[50].

Le magnésium est également considéré[51].

Production thermochimique

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Certains procédés thermochimiques peuvent produire du dihydrogène et du dioxygène à partir d'eau et de chaleur sans utiliser d'électricité. Étant donné que le seul apport énergétique pour de tels processus est la chaleur, ils peuvent être plus efficaces que l'électrolyse à haute température, car l'efficacité de la production d'électricité est intrinsèquement limitée[C'est-à-dire ?]. La production thermochimique de dihydrogène utilisant l'énergie chimique du charbon (hydrogène noir ou brun[28]) ou du gaz naturel n'est généralement pas considérée, parce que la voie chimique directe est plus efficace.

Des centaines de cycles thermochimiques ont été présélectionnés. Certains des plus prometteurs comprennent :

Des variantes « hybrides » exploitent des cycles thermochimiques comprenant une étape électrochimique :

  • cycle hybride soufre ;
  • cycle cuivre-chlore (Cu-Cl).

Pour tous les procédés thermochimiques, la réaction résumée est celle de la décomposition de l'eau :

.

Tous les autres produits chimiques utilisés sont recyclés.

Aucun des processus thermochimiques de production d'hydrogène n'a été appliqué à un niveau de production, bien que plusieurs aient été démontrés en laboratoire.

À partir des sables bitumineux

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En , la société canadienne Proton Technologies expose un nouveau procédé d'extraction de l'hydrogène des sables bitumineux du Canada[52]. Il repose sur l'injection d'oxygène dans des sables bitumineux, qui élève la température et libère de l’hydrogène. Celui-ci peut ensuite être séparé des autres gaz via des filtres idoines, ce qui ne laisse remonter en surface que l'hydrogène pur. Cette technologie permettrait d'extraire l'hydrogène d'une manière beaucoup plus propre que tous les procédés connus jusqu'alors, et pour un coût moindre[53].

Par pyrolyse plasmatique

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La pyrolyse plasmatique consiste à casser directement par plasma la molécule du méthane (CH4) en hydrogène et en carbone. Celui-ci est obtenu sous forme de poudre impalpable de noir de carbone, sans aucune production de CO2. La consommation d’électricité est de quatre à cinq fois moindre que celle de l'électrolyse. La poudre de carbone peut être revendue à certaines industries (pneumatiques, par exemple). Ce procédé est developpé par la startup française Spark Cleantech en partenariat avec le CNRS[54][source secondaire nécessaire].

Autres méthodes

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Notes et références

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  2. ↑ Buck, p. 265.
  3. ↑ James Glaisher, Wilfrid de Fonvielle, Camille Flammarion et Gaston Tissandier, Voyages Aériens, 1870 (lire en ligne).
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  6. ↑ AIE 2022.
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  8. ↑ a b c et d « Hydrogène énergie », sur Connaissance des Énergies, (consulté le ) (mis à jour le ).
  9. ↑ « Fin du gaz russe : l’hydrogène et l’ammoniac bleu comme alternative de luxe ? », sur France 24, (consulté le ).
  10. ↑ (en) Gas Decarbonisation Pathways 2020–2050, Gas for climate, , 226 p. (lire en ligne [PDF]), p. 17-18.
  11. ↑ « Quelle différence entre hydrogène noir/brun, vert, bleu, rose, blanc ou gris ? », sur Media24, (consulté le ).
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  13. ↑ L'hydrogène pourra-t-il verdir le transport lourd?, lesaffaires.com, .
  14. ↑ « Hydrogène vert », sur Gouvernement du Québec (consulté le ).
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  55. ↑ AFHYPAC 2014.
  56. ↑ Bellona 2002, p. 19.

Annexes

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Articles connexes

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Liens externes

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Bibliographie

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Document utilisé pour la rédaction de l’article : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

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